黑河中游耕地變化與節水灌溉對地表耗水與地下水的影響

摘 要：為探究黑河中游耕地面積變化與節水灌溉影響下地表水耗水及地下水動態演變特征，基于１９８５—２０２２ 年黑河鶯落峽、正義峽水文站實測徑流量月數據和中游地區４９ 眼地下水觀測井埋深月數據，結合對節水灌溉的實地調研結果，利用統計分析等方法，分析了地表水耗水和地下水埋深對耕地面積變化與節水灌溉的響應。結果表明：耕地面積變化、節水灌溉和水量統一調度多重影響下，黑河中游地表水耗水量略有下降；黑河中游地下水埋深總體呈增大趨勢，擴耕較大的大滿灌區東南部與東北部及友聯灌區中部地下水埋深明顯增大；不同灌溉方式對地下水埋深也有較大影響，河灌區地下水埋深隨地表水入滲補給量變化，井灌區和混灌區地下水埋深隨地下水開采量變化。

關鍵詞：地表水耗水；地下水埋深；耕地面積變化；節水灌溉；黑河中游

中圖分類號：Ｐ６４１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０８．０１９

引用格式：張震域，唐娜，吳彥昭，等．黑河中游耕地變化與節水灌溉對地表耗水與地下水的影響［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（８）：１０４－１０９．

近年來，我國耕地開發向西部轉移，在全國耕地面積持續減少的情況下，西北干旱區黑河流域中游耕地面積具有逆向變化的特點［１］ ，１９８５—２０２２ 年黑河中游耕地面積以１ ５００ ｈｍ２ ／ ａ 的速度擴張［２］ 。黑河中游集中了黑河流域９０％以上的人口和耕地［３］ ，是我國第一個節水型社會建設試點地區。黑河中游灌區灌溉是該地區用水主體，長期占有９０％以上的用水份額［４］ ，對區域水資源管理非常重要。黑河流域于２０００ 年開始實施水量統一調度，限制地表水引取，隨著中游擴耕與節水灌溉政策的逐步實施，地表水耗水與地下水埋深發生了變化。研究該區域地表水耗水、地下水動態變化，對灌區水資源合理分配、黑河中游農業可持續發展具有重要意義。

諸多學者從不同角度對不同區域地表水、地下水動態變化及分布進行了研究。閆佰忠等［５］ 以年降水量、地下水開采量、人口、ＧＤＰ 等數據為基礎，探究了石家莊滹沱河山前沖洪積扇地下水動態演變特征及其影響機制；楊舒雅等［６］ 采用地統計學理論分析了深度節水改造后沈烏灌區地下水動態變化，研究表明節水后區域地下水埋深增大；張小清等［７］ 通過分析塔里木河不同時段的耗水情況，提出了該地區的水量分配策略；李江等［８］ 基于景觀單元對黑河中游地下水位變化進行了研究；米麗娜等［９］ 通過１９８５—２０１３ 年黑河中游地下水位動態變化研究，指出黑河中游地下水系統處于嚴重負均衡狀態；劉芬等［１０］ 分析張掖盆地地表水－地下水系統同位素特征發現，綠洲農田灌溉嚴重影響地下水與河水之間的轉換，導致地下水補給地表水增加；馮嘉興等［１１］ 探究了黑河地下水環境變化及其成因，指出出山徑流量與人類活動是地下水變化的重要影響因子。

有關學者分析了土地利用［１２－１３］ 、流域調水［１４］ 等對黑河中游徑流的影響，不同灌溉方式［１５］ 、社會經濟和人類活動［１６］ 、水利工程運行［１７］ 等對黑河中游地下水埋深的影響。本文基于統計分析等方法， 利用１９８５—２０２２ 年黑河中游地表徑流、地下水埋深、耕地面積等數據，結合節水措施實地調研結果，研究黑河中游地表水耗水和地下水埋深時空變化規律，以期為黑河水資源優化配置和黑河中游農業可持續發展提供技術支撐。

１ 研究區概況

本研究區域位于甘肅河西走廊中部黑河流域中游，行政區劃包括張掖市甘州區、臨澤縣和高臺縣。研究區南部為祁連山區，海拔１ ８００～２ ３００ ｍ；北部為黑河沿岸龍首、合黎山地，海拔１ ４００～１ ５００ ｍ。黑河中游屬溫帶大陸性干旱氣候區，多年平均降水量約１４０ｍｍ，多年平均水面蒸發量約２ ０５０ ｍｍ。黑河中游灌區主要沿黑河干流和支流梨園河分布，本次主要分析黑河和梨園河涉及的灌溉區域，共有１３ 個大中型灌區，見圖１。黑河中游灌區灌溉方式較為復雜，有井灌區、河灌區和井河混灌區等多種灌溉方式，如：盈科灌區南部為河灌區，北部為井河混灌區；大滿灌區以河灌為主，井灌為輔；鴨暖灌區、平川灌區在高效節水實施前采用襯砌渠道地表水漫灌方式，高效節水實施后，在地表水引水量不足的情況下采用地下水滴灌方式補充灌溉。地下水較地表水易于凈化，除了取地表水便利的區域，大多數高效節水灌溉水源為地下水。黑河中游地區地下水的主要排泄途徑是扇緣泉水溢出、潛水蒸發及向黑河排泄，主要補給源為河水滲漏、山前側向補給、平原區降水補給以及灌溉入滲補給等。

２ 數據來源與研究方法

基于Ｙａｎｇ 等［２］ 構建的年度中國土地覆蓋數據集（ＣＬＣＤ），利用ＡｒｃＧＩＳ Ｐｒｏ 提取研究區１９８５—２０２２ 年逐年耕地面積數據，并將提取結果進行統計、匯總。水文數據包括１９８５—２０２２ 年鶯落峽、正義峽水文站地表徑流量月數據和４９ 眼地下水觀測井的地下水埋深月數據，均來自甘肅省水文站。

耕地灌溉節水情況來源于《甘肅省水資源公報》《張掖市高標準農田建設規劃（２０２１—２０３０ 年）》和文獻資料［１８－１９］ ，并通過實地調查、與農戶訪談等方式獲得灌溉水源、灌溉方式、節水實施時間等信息。至２００９ 年《黑河流域近期治理規劃》（以下簡稱《近期治理》）項目逐步完成，黑河中游主要實施項目為渠系襯砌和少量高效節水，限于當時灌溉技術不成熟和群眾觀念落后，大部分高效節水項目無法運行。２０１１ 年后，隨著黑河中游河西走廊高效節水灌溉示范區建設全面啟動，高效節水得到了長足發展，２０１２—２０１８ 年黑河中游地區建設高效節水灌溉面積５．７８ 萬ｈｍ２，其中滴灌占比６７．７７％，其余為管灌和噴灌。２０１９ 年農業農村部組織實施高標準農田建設，進行平田整地和規模化節水灌溉。

采用Ｅｘｃｅｌ 和Ａｒｃｇｉｓ Ｐｒｏ 軟件進行遙感數據提取分析和地表徑流、地下水埋深數據整理分析，利用Ａｒｃ?ＧＩＳ Ｐｒｏ 軟件地統計模塊的反距離插值法（ＩＤＷ）繪制地下水埋深空間分布圖。

為全面分析黑河中游耕地面積變化、節水灌溉發展對地表水耗水、地下水的影響，綜合黑河水量統一調度時間和灌區灌溉水平發展情況劃定分析時段，共劃分為１９８５—１９９９ 年、２０００—２０１０ 年、２０１１—２０２２ 年３個時段： １９８５—１９９９ 年為黑河水量統一調度前；２０００—２０１０ 年為《近期治理》工程實施完成階段，其中２０００ 年開始實施黑河水量統一調度，２００１ 年開始實施流域《近期治理》工程，至２００９ 年逐步實施完成；２０１１—２０２２ 年為逐步實施高效節水階段。

３ 結果與分析

３．１ 黑河中游灌區耕地面積變化情況

１９８５ 年以來黑河中游１３ 個灌區耕地面積總體處于增加趨勢，由１９８５ 年的１７．１９８ 萬ｈｍ２ 增加到２０２２年的２２．８８７ 萬ｈｍ２，增幅為３３．０８％。黑河中游各個縣區灌溉面積大多增大，其中：耕地面積增加最多的為甘州區，１９８５—２０２２ 年增加耕地約２．５０５ 萬ｈｍ２，增幅２５．５８％，主要集中在大滿灌區，離河道較遠的荒草地、未利用地也逐漸被開墾為耕地；其次為臨澤縣，增加耕地約１．６２５ 萬ｈｍ２，增幅３８．２％，主要集中在鴨暖灌區和梨園河灌區；高臺縣耕地面積增加最少，為１．５７８ 萬ｈｍ２，增幅５０．４２％，主要集中在友聯灌區；中游只有盈科灌區灌溉面積有所減少，是城市和濕地擴展擠占耕地所致。

與１９８５ 年相比，１９９９ 年耕地面積增幅為２．５７％，１９８５—１９９９ 年處于黑河水量統一調度和《近期治理》實施前，灌區灌溉采用漫灌方式，耕地面積緩慢增加，增速為２９３ ｈｍ２ ／ ａ；２０００—２０１０ 年耕地面積增幅為１２．９２％，該時段《近期治理》工程逐漸完成，灌區渠系進行了大規模襯砌，灌溉條件提升，黑河中游荒草地、未利用地不斷被開發為耕地，灌溉面積顯著增加，增速為２ ２０７ ｈｍ２ ／ ａ； ２０１１—２０２２ 年耕地面積增幅為１１．１％，該時段隨著中游節水型社會建設和高效節水農業逐步發展，灌溉技術和農業生產力明顯提升，大片荒草地、未利用地被開墾為耕地，耕地面積明顯增加，增速為１ ９０７ ｈｍ２ ／ ａ。

３．２ 黑河中游地表水耗水量變化情況

除梨園河外，黑河中游基本無區間地表徑流加入，梨園河為梨園河灌區、沙河灌區供水，部分水量入黑河干流。鶯落峽、正義峽水文站之間的徑流量差值基本可以反映研究區地表水耗水量。１９８５—１９９９ 年、２０００—２０１０ 年、２０１１—２０２２ 年黑河中游年均地表水耗水量分別為７．７３ 億、７．６２ 億、７．１６ 億ｍ３。總量上，黑河中游地表水耗水量自水量統一調度后略有下降，見圖２。

黑河中游地區地表水耗水量占鶯落峽徑流量比例呈現明顯下降趨勢。１９８５—１９９９ 年、２０００—２０１０ 年、２０１１—２０２２ 年黑河中游地區地表水耗水量占鶯落峽徑流量比例的均值分別為４８．１９％、４４．０７％、３５．４３％。２０１４—２０２０ 年鶯落峽徑流量均超過２０ 億ｍ３，中游地表水耗水量占鶯落峽徑流量比例不到４０％，２０１８—２０２２ 年平均地表水耗水量占鶯落峽徑流量的３２．２９％。

年均地表水耗水量并沒有隨擴耕而增大。黑河中游地區２０２２ 年耕地面積較２０００ 年增幅２８．８１％，而２０２２ 年黑河中游區間地表水耗水量較２０００ 年減小２．９９億ｍ３，降幅為３７．２６％。隨著灌溉面積的增加，區間地表水耗水量有所減少的原因在于：一是實施《近期治理》工程、高效節水灌溉措施，提高了研究區農業水資源利用效率；二是黑河水量統一調度限制了黑河中游地區地表水引水量。另外，新增耕地配套渠系投資較大，除少量在現有渠道末端新增的耕地外，大部分新增耕地主要依靠增加地下水灌溉，與黑河干流地表水關系較小。

３．３ 地下水埋深變化分析

３．３．１ 地下水埋深動態變化情況

以耕地面積變化較明顯的灌區為基礎，考慮地下水觀測井與河道的距離及數據序列的完整性，選取黑河中游５、１５、１７、２２、２４、３３、４８ 號共７ 眼地下水觀測井分析黑河中游地下水埋深的變化情況，見圖３。

分階段來看， １９８５—１９９９ 年、２０００—２０１０ 年、２０１１—２０２２ 年地下水埋深增速分別為０．１４、０．０４、０．２６ｍ／ ａ。２０１１—２０２２ 年地下水埋深均值較１９８５—１９９９年增大８８．０１％，最大埋深增大１５．４３ ｍ，最小埋深增大０．４１ ｍ，地下水埋深隨中游擴耕和節水灌溉措施的實施而增大。２０００—２０１０ 年黑河中游地下水埋深出現兩種變化趨勢：耕地擴張區域的大滿灌區東南部和友聯灌區中部地下水埋深持續增大，增大均值為３．０６ ｍ，原因是擴耕和中游限制引水導致大量開采地下水灌溉；黑河干流沿岸區域、離濕地較近區域地下水埋深減小，減小約１ ｍ，這與米麗娜等［９］ 的研究結果一致。

隨距河岸距離的增加，地下水埋深增大。１９８５—２０２２ 年，距離河道遠且近年周邊耕地擴張的２２ 號觀測井地下水埋深顯著增大；距離河道較遠且在原有耕地范圍的５ 號觀測井地下水埋深明顯增大；３３ 號觀測井位于河汊內原有耕地范圍內，地下水埋深變幅最小。２０１７ 年之后，５、１５、１７、２４、３３、４８ 號觀測井地下水埋深突增，可能是近幾年實施大規模平田整地、高標準農田建設所致。

研究區典型年份地下水埋深分布見圖４，甘州區大滿灌區東南邊緣灌域地下水埋深較大，達６５ ｍ；高臺縣友聯灌區（井灌較多）在擴耕和節水灌溉的雙重影響下產生地下水降落漏斗，２０２２ 年漏斗中心地下水埋深較２０１１ 年增大了１５ ｍ 左右；臨澤縣板橋、平川灌區處于河道轉向地帶，主要采用河水灌溉，灌溉水補給地下水，地下水埋深普遍較小。擴耕面積最大的甘州區，除盈科灌區北部（泉水溢出帶、混灌區）外，其余擴耕地區和采取河水滴灌區域地下水埋深增大，原因是實施高效節水灌溉措施后，地表水補給地下水減少，以及因限制地表引水而大量開采地下水所致。大滿灌區１９８９ 年地表水引水量為１．９５ 億ｍ３，２０２１ 年為１．２０億ｍ３，減少了０．７５ 億ｍ３，相應地，地下水開采量由０．０３億ｍ３ 增加到０．８７ 億ｍ３，增加了０．８４ 億ｍ３。盈科灌區南部２０００ 年、２０２１ 年地表水引水量分別為２．１７億、０．４７ 億ｍ３，減小幅度為７８．３４％；地下水開采量分別為１．０３ 億、０．５２ 億ｍ３，減小幅度為４９．５１％，在大量耕地被建設用地擠占和灌區引水量減小的背景下，盈科灌區自２０００ 年以后１３ ｍ 以上地下水埋深區域卻顯著增加，這可能是地表水補給地下水量減小所致。

３．３．２ 不同灌溉方式下地下水埋深變化情況

１）河灌區地下水埋深變化。選擇５、８、１３、１６、１８號等１６ 眼位于河灌區的觀測井，分析河灌區地下水埋深變化。河灌區年內地下水埋深變幅不大，年內地下水埋深變幅最大為０．３５ ｍ。１９８５—２０２２ 年河灌區年均地下水埋深整體呈增大趨勢，見圖５（ａ）。１９９９—２０１０ 年地下水埋深增速為０．０３ ｍ／ ａ，２０１１—２０２２ 年地下水埋深增速為０．０５ ｍ／ ａ。３３ 號觀測井為河灌區的典型井，離擴耕區較遠，周邊耕地２０１６ 年之前為地表水漫灌，之后為地表水滴灌。２０１６ 年之前地下水埋深變幅不大，呈穩定狀態，１９８５—２０１６ 年地下水埋深增速小于０．０１ ｍ／ ａ；２０１６—２０２２ 年地下水埋深增速為０．２０ｍ／ ａ，高效節水后地表水補給地下水量減少，地下水埋深增大。典型年３３ 號觀測井地下水埋深見圖５（ｂ）。

２）井灌區地下水埋深變化。選擇６、９、１４、１７、１９號等１３ 眼位于井灌區的觀測井，分析井灌區年內地下水埋深變化。井灌區年內地下水埋深變幅較大，年內變幅均值為１．４７ ｍ，年內地下水埋深最大值的均值為９．２９ ｍ，出現在灌溉用水高峰期８ 月；地下水埋深最小值的均值為７．８２ ｍ，出現在非灌溉期及冬灌結束的２月。１９８５—２０２２ 年井灌區地下水埋深整體呈增大趨勢，見圖６（ａ）。目前依然存在開采地下水灌溉的漫灌區，主要分布在離河道較遠的區域。９ 號觀測井為井灌區的典型井，處于非擴耕區域，２０１０ 年開始采取地下水滴灌，主要種植蔬菜且全年多輪次灌溉，１９８５—１９９９ 年周邊耕地為地下水漫灌，抽取水量大，該階段地下水埋深增大；２０００ 年后隨著《近期治理》和高效節水實施，地下水開采量減少，地下水埋深有所減小，見圖６（ｂ）。

３）混灌區地下水埋深變化。選擇１０、１１、４１ 號３眼位于混灌區的觀測井，分析混灌區地下水埋深變化。１０、１１ 號觀測井處于黑河中游中段，距離河道均約１．５ｋｍ，周邊耕地采取以地表水灌溉為主、地下水灌溉為輔的灌溉方式，年內地下水埋深基本處于穩定狀態，１９８５ 年、１９９９ 年、２０１０ 年、２０２２ 年年內地下水埋深變幅均值分別為０．８１、０．２０、０．２９、０．４４ ｍ；１９８５—２０２２ 年３０ 多ａ 地下水埋深均值增大０．８１ ｍ，見圖７（ａ）。４１號觀測井處于原有耕地區與擴耕區過渡帶，距離河道約２１ ｋｍ，年內地下水埋深基本處于穩定狀態；１９８５—２０２２ 年地下水埋深持續增大，１９８５—１９９９ 年地下水埋深增速為０．４１ ｍ／ ａ，２０００ 年后黑河中游地區限制地表引水及擴耕后，在地表水供水不足的情況下，加大地下水開采量補充灌溉，１９９９—２０１０ 年地下水埋深增速為０．８５ ｍ／ ａ，見圖７（ｂ）。

４ 結論

耕地面積和灌溉方式變化會引起灌溉用水量變化，進而影響灌區地表水耗水量和地下水埋深。自２０００ 年黑河水資源統一管理和水量統一調度后，黑河中游灌溉面積持續擴大，擴耕范圍主要位于綠洲邊緣與荒草地、未利用地交界區域。在耕地變化、高效節水及水量統一調度多重影響下，黑河中游地表水耗水量略有下降。黑河中游地下水埋深總體呈增大趨勢，地下水埋深變化具有明顯階段性，擴耕較大的大滿灌區東南部與東北部及友聯灌區中部地下水埋深明顯增大；不同灌溉方式對地下水埋深也有較大影響，河灌區地下水埋深隨地表水入滲補給量變化，井灌區和混灌區地下水埋深隨地下水開采量變化。

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【責任編輯 呂艷梅】